Помоги проекту - поделись книгой:
Если это и правда так, и энергия вакуума будет нашим вечным спутником, то предсказать даже самое далекое будущее нашей Вселенной несложно. В деталях возможны интересные неожиданности, но общая картина относительно проста.[51] Вселенная продолжит расширяться, охлаждаться и становиться все более и более разреженной. Далекие галактики будут убегать от нас все быстрее, а их красное смещение будет только увеличиваться. Промежутки времени между фотонами, прилетевшими к нам оттуда, будет становиться все больше, и в конце концов галактики исчезнут из виду. Во всей обозримой Вселенной не останется ничего, кроме нашей локальной группы галактик, связанных силой притяжения.
Галактики не вечны. Принадлежащие им звезды выжигают свои запасы ядерного топлива и умирают. Оставшиеся газ и пыль могут дать жизнь новым звездам, но рано или поздно будет достигнута точка убывающего плодородия, после чего все звезды в галактике умрут. Останутся только белые карлики (звезды, которые когда-то сияли, но теперь у них не осталось топлива), коричневые карлики (звезды, которые вообще никогда не сияли) и нейтронные звезды (которые раньше были белыми карликами, но под воздействием гравитации сколлапсировали). Эти объекты сами по себе могут быть стабильными или нет; наши текущие теоретические догадки говорят о том, что составляющие их протоны и нейтроны не могут быть идеально стабильными и в конечном итоге распадутся на более легкие частицы. Если это так (а надо признаться, что уверенности в этом нет), то разнообразные формы мертвых звезд со временем рассеются, превратившись в разреженный газ из частиц, разбегающихся в никуда. Это произойдет нескоро; считается, что от описанных событий нас отделяет примерно 1040 лет. Для сравнения: возраст текущей Вселенной — около 1010 лет.
Помимо звезд, существуют также черные дыры. У большинства крупных галактик, включая нашу, в центре находятся гигантские черные дыры. В галактике, сравнимой по размеру с Млечным Путем и состоящей приблизительно из 100 миллиардов звезд, масса черной дыры может превышать массу Солнца в несколько миллионов раз — невероятно много по сравнению с любой обычной звездой. По сравнению же с целой галактикой черная дыра невелика, но все же она продолжит расти, проглатывая любые горемычные звезды, которым не посчастливится в нее упасть. В конце концов звезд не останется. К этому моменту сама черная дыра начнет испаряться, испуская в пространство элементарные частицы. Это — потрясающее открытие Стивена Хокинга, которое он сделал в 1976 году. Мы подробнее поговорим об этом в главе 12: черные дыры совсем не такие черные. Они постоянно испускают частицы в окружающее их пространство, в процессе медленно теряя энергию, — благодаря квантовым флуктуациям, от которых никуда не деться. Если подождать достаточно долго — я имею в виду 10100 лет или около того, — то даже сверхмассивные черные дыры в центрах галактик испарятся, не оставив после себя и следа.
Как я уже говорил выше, в деталях могут быть определенные расхождения, но в целом картина долговременного прогноза остается неизменной. Прочие галактики убегают от нас и исчезают; наша галактика развивается и проходит через несколько различных стадий. В любом случае итог предопределен: жидкая кашица частиц, растворяющихся и исчезающих навсегда. В очень отдаленном будущем Вселенная снова станет чрезвычайно простым местом: она будет абсолютно пустой, настолько пустой, насколько вообще может быть пустым пространство. Это диаметральная противоположность горячему и плотному изначальному состоянию Вселенной; яркое космологическое проявление стрелы времени.
Энтропия Вселенной
Немало часов напряженных размышлений теоретические физики посвятили вопросу о том, почему Вселенная развивается именно так, как она это делает, а не по-другому. Определенно нельзя исключать возможность, что ответа на этот вопрос вовсе не существует; Вселенная такая, какая она есть, и, кроме как смириться с этим, ничего поделать невозможно. И все же мы безо всяких на то оснований продолжаем надеяться, что сможем добиться большего, чем просто принять ее как данность, — что мы сможем объяснить ее.
Если предположить идеальное знание законов физики, то вопрос «Почему Вселенная развивалась именно так?» сводится к вопросу «Почему начальные условия Вселенной оказались именно такими?». Однако вторая формулировка опять неявно подразумевает, что время несимметрично и у прошлого есть определенное превосходство над будущим. Если наше представление о фундаментальных микроскопических законах природы верно, то мы можем взять состояние Вселенной в
Однако для начала нужно более четко определиться, что же мы подразумеваем под энтропией Вселенной. В главе 13 мы во всех подробностях обсудим эволюцию энтропии обозримой Вселенной, однако на простейшем уровне дело обстоит следующим образом.
1. В ранней Вселенной, до того как произошло формирование структур, гравитация почти не влияла на энтропию. Вселенная была похожа на контейнер с газом, и для вычисления ее энтропии можно было применять привычные формулы термодинамики. Общая энтропия в пространстве, соответствующем обозримой Вселенной, составляла около 1088 в ранние моменты времени.
2. К моменту, когда мы достигли текущей стадии эволюции, роль гравитации значительно возросла. Для этого режима в нашем арсенале нет точной формулы, однако мы можем получить неплохую оценку для полной энтропии, всего лишь сложив вклады черных дыр (которые обладают громадной энтропией). Энтропия одной сверхмассивной черной дыры порядка 1090, а в наблюдаемой Вселенной примерно 1011 подобных черных дыр; полная энтропия на сегодняшний день, таким образом, составляет приблизительно 10101.
3. Однако на этом история далеко не заканчивается. Если взять все вещество в наблюдаемой Вселенной и поместить его в одну черную дыру, ее энтропия составит 10120. Можно считать эту величину максимально возможным значением энтропии, которого можно добиться путем перестановки вещества во Вселенной, и именно в этом направлении все и развивается.[53]
Задача, стоящая перед нами, — объяснить эту историю, и в частности почему энтропия раннего состояния (1088) настолько ниже максимально возможной энтропии (10120)? Обратите внимание на то, что первое число во много-много раз меньше второго; впечатление, что они почти одинаковы, создается исключительно благодаря магии краткой записи больших чисел.
Хорошие новости заключаются в том, что модель Большого взрыва по крайней мере предоставляет контекст, в котором возможно разумно подойти к поиску ответа на данный вопрос. Во времена Больцмана, до того как люди узнали об общей теории относительности и расширении Вселенной, загадка энтропии была куда сложнее хотя бы потому, что не существовало такого события, как «начало Вселенной» (или хотя бы «начало обозримой Вселенной»). В противоположность этому сейчас мы в состоянии точно указать на время, когда энтропия была наименьшей, а также на конкретную форму того состояния, когда наблюдалась низкая энтропия. Это решающий шаг в попытке объяснить, почему все было так, а не иначе.
Возможно, конечно, что фундаментальные законы физики необратимы (хотя чуть позже мы приведем аргументы против). Однако если они все-таки обратимы, то низкая энтропия нашей Вселенной в момент Большого взрыва и около того оставляет нам, по сути, два основных варианта.
1. Большой взрыв действительно был началом Вселенной, моментом, когда появилось время. Это объясняется тем, что истинные законы физики разрешают существование границы пространства—времени, или тем, что «время» в нашем понимании — на самом деле всего лишь приближение, теряющее достоверность в окрестности Большого взрыва. В любом случае в самом начале у Вселенной была низкая энтропия по причинам, лежащим далеко за пределами динамических законов природы. И тогда нам требуется новый, независимый принцип, чтобы объяснить начальное состояние.
2. Такой вещи, как «изначальное состояние», не существует, потому что время вечно. При таком допущении то, что мы представляем себе как Большой взрыв, — это не начало Вселенной, хотя, несомненно, данное событие сыграло важную роль в истории нашей локальной области. Наблюдаемый нами отрезок пространства—времени должен быть каким-то образом вложен в большую картину. И способ этого вложения должен объяснить, почему энтропия была так низка на одном краю времени, не накладывая при этом никаких специальных условий на глобальное описание.
Какой из двух вариантов точнее описывает реальный мир, мы пока не знаем. Признаюсь честно, мне больше по душе второй вариант, ведь гораздо элегантнее выглядит история, в котором мир становится практически неизбежным результатом действия целой группы динамических законов и не требует дополнительного принципа, разъясняющего, почему он появился именно в таком виде. Для того чтобы превратить этот призрачный сценарий в достоверную космологическую модель, нам придется использовать в своих интересах загадочную энергию вакуума, которая господствует в нашей Вселенной. Однако мы не сможем этого сделать, пока не разберемся окончательно в искривлении пространства—времени и теории относительности. Пожалуй, этим стоит заняться прямо сейчас.
Часть II. Время во Вселенной Эйнштейна
Глава 4. Время — штука личная
Время идет различным шагом с различными людьми.
Скажите «ученый» — и большинство людей сразу же вспомнят Эйнштейна. Альберт Эйнштейн — фигура культовая; многим ли физикам-теоретикам удавалось достичь такой степени известности, что их лица начинали печатать на футболках? Однако Эйнштейн — знаменитость далекая, пугающая. Большинство из тех, кто считает это имя знакомым, затрудняются назвать его конкретные достижения,[54] в отличие, например, от успехов Тайгера Вудса.[55] Нам всем знаком образ Эйнштейна как неуклюжего рассеянного профессора в мешковатом свитере и с всклокоченными волосами — образ человека, полностью посвятившего себя науке и равнодушного ко всему земному. А его работы — рассуждения об эквивалентности массы и энергии, искривлении пространства и времени и поиске окончательной теории — являют для нас вершину абстракции, бесконечно удаленную от каждодневных бытовых проблем.
Настоящий Эйнштейн куда интереснее этого устоявшегося образа. Во-первых, всклокоченный вид и прическа, как у Дона Кинга, стали фирменным стилем Эйнштейна уже в более позднем возрасте — вы вряд ли узнали бы знаменитого ученого в опрятном и ухоженном молодом человеке с пронзительным взором, не раз перевернувшем физику с ног на голову в начале XX века.[56] Во-вторых, теория относительности родилась не из пустых рассуждений о природе пространства и времени; ее источники кроются в абсолютно практичных задачах доставки людей и груза в правильное место в правильное время.
Рис. 4.1. Альберт Эйнштейн в 1912 году. «Удивительным годом» для него стал 1905 год, а исследования по общей теории относительности дали первые ощутимые результаты в 1915 году
Специальная теория относительности, объясняющая, каким образом скорость света может быть одной и той же для любых наблюдателей, появилась в самом начале XX века благодаря усилиям сразу нескольких исследователей. (Авторство общей теории относительности, которая интерпретирует гравитацию как результат искривления пространства—времени, практически всецело принадлежит Эйнштейну.) Крупнейший вклад в развитие специальной теории относительности внес французский математик и физик Анри Пуанкаре. Несмотря на то что именно Эйнштейн поставил окончательную точку, приняв, что «время», измеряемое любым движущимся наблюдателем, ничем не хуже «времени», измеряемого любым другим наблюдателем, оба ученых в своих исследованиях относительности пришли к очень похожим формальным выводам.[57]
Историк Питер Галисон в своей книге «Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре: империя времени» («Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time») излагает доводы в пользу того, что и на исследования Эйнштейна, и на исследования Пуанкаре одинаково повлияли как эзотерические размышления об архитектуре физики, так и обычные земные профессии ученых.[58] Эйнштейн в то время работал патентным клерком в Швейцарии, в Берне, где основной задачей считалось создание точных часов. Между европейскими городами вырастала сеть железных дорог, и решение проблемы синхронизации часов на больших расстояниях представляло огромный коммерческий интерес. Пуанкаре, будучи на два десятилетия старше, служил президентом французского Бюро долгот. Развитие морских перевозок и водных торговых путей требовало более точных методов определения долготы при нахождении в открытых водах — как для ориентирования отдельных кораблей, так и для составления точных карт.
И вот мы имеем то, что имеем: карты и часы. Пространство и время. В частности, теперь мы знаем, что важные вопросы — вовсе не «Где мы в действительности находимся?» или «Сколько сейчас в действительности времени?», а «Где мы находимся по отношению к другим объектам?» и «Какое время показывают наши часы?». Жесткое, абсолютное пространство и время ньютоновской механики превосходно согласуются с нашим интуитивным пониманием мира; теория относительности же требует перейти на совершенно иной уровень абстракции. Физикам, работавшим в начале прошлого столетия, удалось сделать этот критически важный шаг. Они поняли, что не следует пытаться запихнуть мир в рамки, навязываемые нашей интуицией, а нужно серьезно отнестись к тому, что поддается измерению реальными приборами.
Специальная теория относительности и общая теория относительности формируют основу современного представления о пространстве и времени, и в этой главе мы попробуем разобраться, что же скрывается за составляющей «время» в «пространстве—времени».[59] Мы постараемся ненадолго забыть и об энтропии, и о втором начале термодинамики, и о стреле времени, найдя прибежище в чистом, точном мире фундаментально обратимых законов физики. И все же без уверенного понимания теории относительности и понятия пространства—времени нам не удастся найти окончательное объяснение такого явления, как стрела времени.
Потерянные в пространстве
В дзэн-буддизме существует такая концепция, как «сознание начинающего»: состояние, в котором человек свободен от любых предрассудков и готов принимать мир таким, какой он есть. Можно долго спорить, реально ли достичь такого состояния и есть ли вообще смысл пытаться, однако сама концепция может оказаться весьма полезной при знакомстве с теорией относительности. Так что давайте забудем все, что, как нам кажется, мы знаем о времени во Вселенной, и проведем несколько мысленных экспериментов (о результатах которых нам известно на основании реальных опытов). Наша цель — понять, что нового теория относительности может сказать про время.
Для этого представьте себе, что мы находимся внутри космического корабля, свободно парящего в космическом пространстве и не подверженного влиянию никаких звезд или планет. Мы обеспечены всеми необходимыми запасами: у нас есть вода, воздух и предметы первой необходимости. Кроме того, на борту имеется простейшее оборудование для проведения научных экспериментов в виде блоков, весов и т. п. Единственное ограничение — мы не можем выглянуть наружу и посмотреть на вещи, находящиеся за пределами корабля. В нашем эксперименте мы будем считать, что корабль оборудован различными датчиками, расположенными внутри и снаружи корабля.
Прежде всего, давайте подумаем, что мы можем узнать, находясь внутри корабля. У нас есть пульт управления, и мы можем вращать судно вокруг любой оси. Также мы можем запустить двигатели и переместиться в любом желаемом направлении. Итак, мы проводим время, вращая корабль в разные стороны и перемещаясь туда-сюда, не зная и не особо беспокоясь о том, в каком направлении мы движемся, и проводя заодно разнообразные эксперименты.
Рис. 4.2. Изолированный космический корабль. Слева направо: свободное падение, ускорение, вращение
Что мы можем узнать? Очевидно, что нам не составляет труда заметить ускорение корабля. Когда он движется без ускорения, наша любимая обеденная вилка невесома и свободно парит в воздухе. Однако как только мы запускаем двигатели, она падает вниз, где под «низом» понимается «направление, противоположное тому, в котором корабль ускоряется».[60] Если мы еще поэкспериментируем, то сможем даже научиться распознавать вращение космического корабля. В этом случае предмет сервировки, расположенный точно на оси вращения, продолжает свободно парить на одном месте; однако любые предметы, находящиеся на периферии, «притягиваются» к корпусу корабля и остаются там.
Таким образом, определенные сведения о состоянии корабля мы можем узнавать экспериментально, с помощью несложных опытов внутри судна. Тем не менее есть также вещи, которые мы понять попросту
Аналогично, нам не под силу отличить одну скорость от другой. Как только мы выключаем двигатели, корабль снова начинает свободно парить в пространстве, и совершенно неважно, какую скорость он успел набрать; необходимости замедляться нет. И ориентацию корабля мы тоже определить не можем — в пустынных бескрайних просторах межзвездного пространства все направления одинаковы. Можно понять, вращается судно или нет; однако если включить подходящие направляющие двигатели (или использовать соответствующие бортовые гироскопы) и прекратить вращение, то никакой локальный эксперимент не позволит нам определить угол, на который успел повернуться корабль.
Эти простые выводы открывают нам сокровенные тайны процессов, происходящих в реальном мире. Любые манипуляции, которые мы совершаем с нашим аппаратом, при условии, что они не влияют на результаты экспериментов, — мы меняем его местоположение, поворачиваем, заставляем двигаться с постоянной скоростью, — отражают
Разумеется, у обнаруженных нами видов симметрии есть свои названия. Изменение местоположения объекта в пространстве называется «переносом», изменение ориентации в пространстве — это «поворот», а изменение скорости движения сквозь пространство — «буст». В контексте специальной теории относительности набор поворотов и бустов называется преобразованиями Лоренца, а полный комплект, включающий переносы, — преобразованиями Пуанкаре.
Главная идея, лежащая в основе этих преобразований симметрии, высказывалась учеными задолго до появления специальной теории относительности. Еще Галилео утверждал, что законы природы должны быть инвариантными относительно того, что мы сегодня называем переносами, поворотами и бустами. Даже без теории относительности, если бы Галилео и Ньютон оказались правы в своих утверждениях о законах механики, мы все равно были бы не в состоянии определять положение, ориентацию и скорость, находясь в изолированном свободно движущемся космическом корабле. Различие между теорией относительности и представлениями Галилео лежит лишь в области того, что происходит, когда мы перемещаемся в систему координат движущегося наблюдателя. Волшебство относительности заключается в том, что у изменения скорости много общего с изменением пространственной ориентации; буст — всего лишь пространственно-временная версия поворота.
Прежде чем начинать разбираться с этим, давайте остановимся на мгновение и спросим себя: а могли бы законы физики работать по-другому? Например, выше мы утверждаем, что абсолютное положение объекта не поддается определению — и абсолютная скорость тоже, однако абсолютное ускорение вполне измеримо.[61] Можно ли вообразить мир с такими физическими законами, в котором невозможно оценить абсолютное положение, однако абсолютная скорость поддается объективному измерению?[62]
Это совсем несложно. Представьте себе, что вы движетесь сквозь неподвижную среду, такую как воздух или вода. Если бы мы жили в бескрайнем водоеме, то нам не к чему было бы привязать свое местоположение, однако мы могли бы без труда измерять свою скорость по отношению к воде. Можно было бы даже предположить, что окружающее пространство тоже напитано подобной средой.[63] В конце концов, еще Максвелл в своих работах по изучению электромагнетизма доказал, что свет — это всего лишь тип волны. А если есть волна, вполне естественно думать, что есть и среда для ее распространения. Например, чтобы распространялся звук, нужен воздух — в космосе никто не услышит ваш крик. Однако свет успешно распространяется в безвоздушном пространстве, значит (следуя этой логике, которая окажется в итоге ошибочной), и там существует какая-то среда, сквозь которую он перемещается.
Таким образом, физики конца XIX века считали, что электромагнитные волны распространяются сквозь невидимую, но играющую невообразимо важную роль среду, которой они дали название «эфир». И ученые-экспериментаторы поставили себе целью найти доказательства существования этой субстанции. Однако они потерпели поражение, а их неудача подготовила почву для специальной теории относительности.
Ключ к относительности
Представьте, что мы снова вернулись в космическое пространство, но на этот раз взяли с собой более изощренное оборудование для проведения экспериментов. В частности, у нас есть впечатляющая штуковина, сделанная по последнему слову лазерной техники и умеющая измерять скорость света. Для того чтобы откалибровать устройство, мы в свободном падении (без ускорения) проверяем, будет ли скорость света всегда одной и той же независимо от направления. Все правильно, это действительно так. Инвариантность относительно выбора направления — неотъемлемое свойство распространения света, как мы и подозревали.
Теперь пробуем измерить скорость света при движении с разными скоростями. Для этого мы проведем один тест, затем ненадолго включим двигатели и снова выключим их, чтобы набрать постоянную скорость относительно первоначального движения, и после этого повторим эксперимент. Поразительно — какую бы скорость мы ни набрали, значение скорости света, получаемое в результате измерений, всегда остается одинаковым. Если бы действительно существовала эфирная среда, сквозь которую свет распространялся бы так же, как звук распространяется по воздуху, то в зависимости от того, с какой скоростью по отношению к эфиру мы движемся, мы бы получали разные результаты. Однако этого не происходит. Можно было бы предположить, что свет получает какой-то толчок вследствие того, что источник его находится внутри движущегося космического судна. Для того чтобы проверить это, мы поднимем шторки на окнах и позволим проникнуть внутрь свету из внешнего мира. Однако измерение скорости света, источник которого находится снаружи, снова дает тот же результат: скорость света не зависит от скорости нашего космического корабля.
На практике этот эксперимент был выполнен в 1887 году Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли. За неимением космического корабля с мощным двигателем они воспользовались лучшим, что у них было: движением Земли вокруг Солнца. Орбитальная скорость Земли составляет около 30 километров в секунду, так что зимой ее полная скорость примерно на 60 километров в секунду отличается от ее скорости летом, когда Земля движется в обратном направлении. Не так много по сравнению со скоростью света, которая равна примерно 300 000 километров в секунду, однако Майкельсон сконструировал хитроумное устройство, известное под названием интерферометра, чрезвычайно чувствительное к малейшим изменениям скорости в разных направлениях. Ученые получили тот же самый ответ, к которому пришли мы в своем мысленном эксперименте: скорость света всегда одна и та же, независимо от того, насколько быстро мы движемся.
Научные достижения редко бывают простыми и однозначными, и как правильно интерпретировать результат эксперимента Майкельсона—Морли, ученые также догадались не сразу. А вдруг Земля тянет за собой эфир, из-за чего наша относительная скорость оказывается совсем небольшой? После некоторого неистового теоретизирования с метанием от одной идеи к другой физики все же пришли к выводу, который сегодня считается единственно верным: скорость света представляет собой универсальную константу. Для любого наблюдателя скорость света всегда одна и та же, независимо от того, с какой скоростью он сам двигался при проведении измерений.[64] Всю суть специальной теории относительности можно свести к двум основным принципам:
• никакие локальные эксперименты не позволяют отличить наблюдателей, движущихся с постоянными скоростями;
• скорость света одинакова для всех наблюдателей.
Используя выражение «скорость света», мы неявно подразумеваем, что речь идет о скорости, с которой свет движется через пустое пространство. Ничуть не сложно заставить свет двигаться с другой скоростью — нужно всего лишь поместить на его пути прозрачную среду. Сквозь стакан с водой свет проходит медленнее, чем сквозь пустое пространство, однако это ничего особенного о законах физики не говорит. Действительно, в этой пьесе главную роль играет не свет как таковой. Для нас важнее всего то, что в пространстве—времени существует некоторая специальная скорость — просто так получилось, что свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Ключевой момент — это существование предела скорости, а не способность света двигаться настолько быстро.
Необходимо остановиться и осознать, насколько это все удивительно. Предположим, вы находитесь в космическом корабле, а ваш друг, также путешествующий в космосе, сигналит вам фонариком из иллюминатора своего космического судна. Вы измеряете скорость света от фонарика и видите, что она равна 300 000 километров в секунду. Затем включаете двигатели и начинаете ускоряться навстречу другу, пока не достигаете скорости 200 000 километров в секунду. Вы снова измеряете скорость света, излучаемого фонариком, и снова получаете тот же результат: 300 000 километров в секунду. Безумие какое-то! Любой человек в здравом уме ожидал бы, что результат будет равен 500 000 километров в секунду. Что же происходит?
Ответ, согласно специальной теории относительности, заключается в том, что от системы отсчета зависит не скорость света, а то, что мы понимаем под «километром» и «секундой». Когда мимо нас на большой скорости проносится линейка, мы наблюдаем эффект «сокращения длины» — кажется, что она короче такой же линейки, находящейся в покое относительно нашей системы координат. Аналогичным образом, если мимо нас на большой скорости проносятся часы, для них происходит «растяжение времени» — кажется, что они идут медленнее часов, находящихся в покое. Действуя совместно, эти явления точно компенсируют любое относительное движение, поэтому для любого наблюдателя скорость света всегда остается одной и той же.[65]
Существует важное следствие инвариантности скорости света: ничто не может двигаться быстрее света. Доказать это довольно просто; представьте, что вы в ракете пытаетесь перегнать свет, излучаемый фонариком. В начальный момент времени ракета неподвижна (в нашей системе координат), а свет движется со скоростью 300 000 километров в секунду. Затем ракета изо всех сил ускоряется, набирая колоссальную скорость. Когда команда ракеты измеряет скорость света от фонарика (теперь находящегося на большом удалении), они убеждаются, что свет все так же распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Что бы они ни делали, как бы сильно и долго ни ускорялись, свет все равно движется быстрее, и его относительная скорость всегда одна и та же.[66] (В их системе отсчета, конечно. С точки зрения внешнего наблюдателя скорость ракеты постепенно приближается к скорости света, но никогда не достигает ее.)
Несмотря на то что сокращение длины и растяжение времени прекрасно согласуются со специальной теорией относительности, обычных людей эти явления могут ввести в заблуждение. Когда мы говорим о «длине» какого-то физического объекта, мы имеем в виду, что объект надо измерить от одного конца до другого. Но при этом мы подразумеваем, что измерение должно производиться
Пространство—время
Снова возвращаемся на космический корабль. На этот раз, однако, мы не ограничены экспериментами внутри изолированного корабля — у нас есть небольшой флот автоматических исследовательских аппаратов, оснащенных собственными двигателями и навигационными компьютерами. Мы можем программировать эти зонды, для того чтобы отправлять их наружу в полет и возвращать обратно. На каждом зонде также установлены очень точные атомные часы. Мы начинаем с того, что тщательно синхронизируем часы на всех исследовательских аппаратах с часами на нашем главном бортовом компьютере и проверяем, что все часы идут синхронно, не отставая и не забегая вперед.
Затем мы отправляем несколько зондов в окружающее пространство. Они должны полетать некоторое время и вернуться на борт. Когда машины возвращаются, мы сразу же замечаем, что показания установленных на них часов расходятся с данными бортового компьютера. Поскольку это мысленный эксперимент, мы уверены, что рассинхронизация произошла не из-за космических лучей, ошибки в программе или проделок шаловливых инопланетян, — для зондов действительно прошел другой период времени.
К счастью, это необычное явление легко объясняется. Время, которое показывают часы, — это не какая-то абсолютная величина, единая для всей Вселенной. Его нельзя измерить раз и навсегда, как расстояние между ярдовыми линиями на поле для американского футбола. Измеряемое часами время зависит от конкретной траектории перемещения этих часов — точно так же игрок может пересечь поле разными способами по траекториям разной длины. Вместо того чтобы засылать исследовательские аппараты, оборудованные часами, в космос, мы могли бы с наземной базы отправить колесных роботов покататься по округе. Во втором случае никто не удивится, увидев по возвращении на одометрах разных роботов разные значения. Суть в том, что часы похожи на одометры. Оба типа устройств предназначены для измерения пройденного пути (сквозь время или сквозь пространство) по определенной траектории.
Рис. 4.3. Время, измеренное зондами, которые покинули корабль и вернулись на него по разным траекториям, меньше, чем время, измеренное бортовыми часами космического корабля
Если часы — это аналог одометра, то время должно быть аналогом пространства. Вспомните, что до формулировки специальной теории относительности, если мы верили в абсолютное пространство и время а-ля Исаак Ньютон, ничто не мешало нам объединить их в единую сущность под названием «пространство—время». И для того чтобы обозначить любое событие во Вселенной, нам, как и сегодня, требовалось охарактеризовать его четырьмя числами (три из них задают положение в пространстве, а четвертое — во времени). Однако в ньютоновском мире пространство и время считались независимыми. Имея два индивидуальных события, например «выход из дома в понедельник утром» и «приход на работу чуть позднее тем же утром», мы могли совершенно независимо (и однозначно, не боясь двусмысленности) обсуждать расстояние между этими двумя событиями и время, прошедшее между ними. Специальная теория относительности утверждает, что это неправильно. Нельзя считать отдельными и независимыми такие вещи, как «расстояние в пространстве», измеряемое одометром, и «продолжительность во времени», измеряемую часами. Правильно говорить лишь об
Однако чем определяется это «в основном»? Скоростью света. Скорость измеряется в километрах в секунду или в любых других единицах расстояния в единицу времени; следовательно, существование особой скорости, зависящей исключительно от законов природы, помогает связать пространство и время. Когда вы перемещаетесь со скоростью, не превышающей скорость света, вы движетесь в основном сквозь время; если бы вы могли превысить скорость света (что у вас вряд ли получится), то вы двигались бы в основном сквозь пространство.
Давайте конкретизируем некоторые детали. Изучая показания часов на исследовательских аппаратах, мы замечаем, что, несмотря на разницу в показаниях, у всех у них есть одна общая особенность: они показываю время
А чего вы ожидали? Время во многом похоже на пространство, однако очевидно, что оно не повторяет его во всех мелочах (можно не опасаться, что какой-нибудь автомобильный навигатор попросит вас выполнить левый поворот во вчера). Даже не учитывая вопросы энтропии и стрелы времени, мы сумели открыть фундаментальную особенность, отличающую время от пространства: лишнее движение
Если перед нами стоит задача переместиться в пространстве из одной точки в другую, то мы можем сделать фактический путь до цели сколь угодно длинным, всего лишь описав кучу произвольных петель (или сделав несколько кругов, прежде чем выдвигаться к точке назначения). Однако рассмотрим случай перемещения между двумя событиями в пространстве—времени конкретными точками в пространстве в конкретные моменты времени. Если двигаться по «прямой линии» — все время перемещаться с постоянной скоростью без ускорения, то мы затратим на путешествие максимально возможное время. Но если заняться прямо противоположным — начать носиться туда-сюда со всей возможной скоростью, не забыв, однако, прибыть в точку назначения в строго определенное время, то продолжительность нашего путешествия окажется гораздо меньше. Если мы научимся перемещаться со скоростью, в точности равной скорости света, то какие бы петли мы ни выписывали, у нас это не будет занимать вообще никакого времени. Разумеется, это недостижимо, однако в наших силах подойти к этому рубежу бесконечно близко.[67]
Как раз в этом смысле время и похоже на пространство: пространство—время является обобщением понятия пространства с еще одним, временным, измерением, свойства которого слегка отличаются от свойств пространственных измерений. В повседневной жизни мы с этим не сталкиваемся, так как передвигаемся со скоростью намного ниже скорости света. А двигаясь с низкой — намного меньше скорости света — скоростью, мы ведем себя как защитник в американском футболе, который шагает строго вдоль футбольного поля, никогда не отклоняясь от прямой линии влево или вправо. Для такого игрока «пройденный путь» идентичен «набранному количеству ярдов», без всяких двусмысленностей. Именно так время проявляет себя в нашей повседневной жизни: поскольку мы и все наши друзья перемещаемся со скоростью, даже близко не приближающейся к скорости света, мы естественным образом считаем время универсальной характеристикой Вселенной, не задумываясь о том, что это всего лишь способ оценки длины пространственно-временного интервала вдоль конкретных траекторий.
Оставаясь в своем световом конусе
В качестве одного из приемов, помогающих понять, как работает пространство—время согласно специальной теории относительности, можно использовать карту. Изобразите пространство и время и укажите, куда у вас есть возможность переместиться. Давайте для разминки начертим схему ньютоновского пространства—времени. Поскольку ньютоновские пространство и время абсолютны, мы на своей карте уникальным образом определим «моменты постоянного времени». Возьмем четыре измерения пространства и времени и порежем их на уникальные трехмерные экземпляры пространства в определенные моменты времени, как показано на рис. 4.4. (На странице книги мы можем рисовать лишь двумерные картинки; используйте свое воображение и представьте себе на каждом срезе мгновенный снимок трехмерного пространства.) Принципиально то, что ни у кого не возникает возражений относительно различий между пространством и временем; здесь нет никакого произвола.
Каждый ньютоновский объект (человек, атом, космический корабль) определяет мировую линию — путь, по которому этот объект движется сквозь пространство—время (даже когда вы сидите абсолютно неподвижно, вы все равно путешествуете через пространство—время, ведь вы непрерывно стареете, не так ли?[68]). И эти мировые линии подчиняются строгому правилу: пройдя через какой-то момент во времени, они не могут сделать пол-оборота назад и пройти через тот же самый момент второй раз. Ваша скорость может быть сколь угодно высокой — сейчас вы здесь, а секунду спустя уже на расстоянии миллиарда световых лет, но вы обязаны двигаться во времени только вперед, и ваша мировая линия пересекает каждый момент в точности один раз.
Рис. 4.4. Ньютоновские пространство и время. Вселенная нарезана на моменты постоянного времени, однозначно разделяющие время на прошлое и будущее. Мировые линии реальных объектов никогда не смогут вернуться назад по своим следам и пережить какой-то момент времени более одного раза
В теории относительности все совсем не так. На смену ньютоновскому правилу «вы обязаны двигаться вперед во времени» приходит новое правило: вы обязаны двигаться со скоростью меньше скорости света. (Если только вы не фотон или другая безмассовая частица; в таком случае ваша скорость в пустом пространстве всегда в точности совпадает со скоростью света.) А структура, в которую мы выше облекли ньютоновское пространство—время (набор слоев, представляющих уникальные моменты времени), заменяется структурой нового вида: световыми конусами.
Рис. 4.5. Пространство—время вблизи определенного события
Концептуально световые конусы довольно просты. Возьмите событие — одиночную точку в пространстве—времени — и вообразите всевозможные пути, которыми свет мог добраться до этого события или покинуть его; эти пути и образуют световой конус, связанный с данным событием. Гипотетические лучи света, исходящие из события, определяют световой конус будущего, а лучи, приходящие к событию, соответствуют световому конусу прошлого. Говоря «световой конус», мы имеем в виду оба этих конуса. Правило, гласящее, что вы не можете двигаться со скоростью, превышающей скорость света, эквивалентно заявлению о том, что ваша мировая линия не должна выходить за пределы световых конусов тех событий, через которые она проходит. Мировые линии, подчиняющиеся этому правилу и описывающие объекты со скоростями, не превышающими скорость света, называются времениподобными. Если каким-то образом вам удалось бы превысить скорость света, то ваша мировая линия стала бы «пространственноподобной», так как располагалась бы больше вдоль пространства, чем времени. Мировую линию объекта, движущегося в точности со скоростью света, можно назвать «светоподобной».
В ньютоновском пространстве—времени можно, начиная с одиночного события, определить поверхность постоянного времени, однозначно рассекающую Вселенную на две части. Для этого необходимо набор всех событий разделить на события в прошлом и в будущем (плюс «одновременные» события, расположенные точно на поверхности). В мире, подчиняющемся теории относительности, это невозможно. Световой конус, связанный с событием, разделяет пространство—время на прошлое данного события (события внутри светового конуса прошлого), будущее данного события (события внутри светового конуса будущего), сам световой конус и набор точек за его пределами, не относящихся ни к прошлому, ни к будущему.
Рис. 4.6. Световые конусы приходят на замену моментам постоянного времени из ньютоновского пространства—времени. Мировые линии массивных частиц должны приходить в событие через световой конус прошлого, а покидать его через световой конус будущего — это времениподобный путь. Пространственноподобные пути соответствуют движению быстрее света и, следовательно, недопустимы
Обычно окончательно запутывает людей именно этот, последний фрагмент. Подсознательно основываясь на ньютоновском способе мышления о мире, мы считаем, что события либо случились в прошлом, либо произойдут в будущем, либо происходят одновременно по отношению к некоторому событию на нашей собственной мировой линии. В мире теории относительности события, разделенные пространственноподобным интервалом (то есть находящиеся за пределами световых конусов друг друга) невозможно отнести ни к одной из перечисленных категорий. При желании мы могли бы
Когда вы рисуете карту пространства—времени, аналогичную изображенной на рис. 4.6, кажется естественным добавить на чертеж вертикальную ось, обозначенную «время», и горизонтальную (или даже две), обозначенную «пространство». Свою версию мы умышленно нарисовали без обозначения каких-либо осей. Смысл пространства—времени в общей теории относительности в том и заключается, что в нем отсутствует фундаментальное разделение на «время» и «пространство». Световые конусы, устанавливающие границы возможного прошлого и будущего для каждого события, не появляются дополнительно к ньютоновскому разделению пространства—времени на время и пространство; они полностью
С нашей стороны было бы безответственно продолжать обсуждение, не уделив особого внимания еще одному различию между временем и пространством: у времени только одно измерение, тогда как пространство трехмерно.[70] Мы не можем точно сказать, почему это так. Я имею в виду, что мы еще недостаточно глубоко понимаем фундаментальные законы физики, для того чтобы с уверенностью говорить о существовании причин, по которым у времени не может быть более одного измерения или, если уж на то пошло, почему их не может быть ноль. Мы знаем только, что жизнь была бы совсем другой, если бы у времени было несколько измерений. При наличии единственного измерения физическим объектам (движущимся по времениподобным путям) не остается ничего другого, кроме как перемещаться в единственно возможном направлении. Если бы измерений было несколько, не было бы ничего, что заставило бы нас двигаться вперед во времени; мы могли бы, например, ходить кругами. Остается открытым вопрос, можно ли в этом случае построить согласованную физическую теорию, но наша жизнь точно была бы совершенно иной.
Самое знаменитое уравнение Эйнштейна
Опубликованная в 1905 году основная статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой он изложил принципы специальной теории относительности, заняла тридцать страниц в Annalen der Physik, ведущем немецком научном журнале того времени. Вскоре после этого ученый опубликовал двухстраничную статью под заголовком «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?»,[71] в которой указывал на очевидный, но интересный вывод из первой, более длинной работы: энергия объекта, находящегося в покое, пропорциональна его массе. (Понятия «масса» и «инерция» здесь взаимозаменяемы.) По сути, в этом и состоит идея, несомненно, самого знаменитого уравнения в истории:
Постараемся как следует осмыслить это уравнение, ведь зачастую его понимают не совсем верно. Множитель
Таким образом, знаменитое уравнение Эйнштейна утверждает, что энергия объекта, находящегося в покое, равна произведению массы данного объекта на квадрат скорости света. Обратите внимание на, казалось бы, безобидный термин «объект». В мире есть не только объекты. Например, мы уже упоминали темную энергию, ответственную за ускорение Вселенной. Непохоже, чтобы она представляла собой множество частиц или других объектов; темная энергия равномерно наполняет пространство—время. Поэтому если речь идет именно о темной энергии, уравнение
Каждому известен практический смысл данного уравнения: даже небольшой объем вещества, обладающего массой, эквивалентен огромному запасу энергии (по сравнению со значениями, с которыми мы имеем дело в обычной жизни, скорость света — огромное число). Существует много разных форм энергии, и специальная теория относительности утверждает, что масса — это одна из форм, которую может принимать энергия. Энергия может переходить из одной формы в другую и обратно, и это происходит постоянно. Область применения формулы
Глава 5. Время гибкое
Вселенная вечна потому, что она живет не для себя; преображаясь, она дает жизнь другим.
Основным стимулом к разработке специальной теории относительности стали не труднообъяснимые результаты экспериментов (хотя эксперимент Майкельсона—Морли, определенно, относится к этой категории), а очевидный конфликт между двумя существовавшими теоретическими подходами.[72] С одной стороны, у нас была ньютоновская механика — основа всего, что мы знали о физических законах, на базе которой строились последующие теории, с другой — предложенная в середине XIX века Джеймсом Клерком Максвеллом теория, объединяющая электричество и магнетизм, которая объяснила впечатляющий диапазон экспериментальных явлений. Проблема заключалась лишь в том, что эти две удивительно успешные теории не сочетались друг с другом. Ньютоновская механика подразумевала, что относительная скорость двух объектов, движущихся мимо друг друга, всегда равна векторной сумме их скоростей; максвелловский электромагнетизм утверждал, что скорость света — исключение из этого правила. Специальная теория относительности сумела объединить эти две теории в единое целое, предоставив новый формализм для механики, где скорость света действительно занимает особое место, а медленные частицы все так же подчиняются правилам ньютоновской модели.
Триумф специальной теории относительности, как и многих других идей, кардинально поменявших актуальную картину мира, имел свою цену. В данном случае теория тяготения, безупречно объяснявшая движение планет, — величайший успех ньютоновской физики — оказалась выброшенной на обочину. Поскольку гравитация, как и электромагнетизм, — самая очевидная сила во Вселенной, Эйнштейн поставил себе целью описать ее на языке теории относительности. Казалось бы, это должно было означать модификацию пары-тройки уравнений, для того чтобы согласовать формулу Ньютона с инвариантностью относительно буста, однако попытки проследовать по этому пути печальнейшим образом провалились.
В конечном итоге Эйнштейна, конечно же, осенила блестящая догадка. По сути, это произошло благодаря тому же эксперименту с космическим кораблем, который мы рассматривали в предыдущей главе (он придумал его первым). Описывая наше путешествие в этом гипотетическом изолированном корабле, я специально несколько раз упомянул, что мы находимся вдалеке от любых гравитационных полей, поэтому нам не приходится беспокоиться о возможности падения на звезду или о том, что наши зонды притянет к себе ближайшая планета. Однако как изменились бы условия задачи, если бы мы находились поблизости от сильного гравитационного поля? Представьте себе, что наш корабль кружит по околоземной орбите. Как бы это повлияло на эксперименты, проводимые внутри космического судна?
Ответ Эйнштейна был таким: гравитационное поле никак не повлияло бы на результаты экспериментов при условии, что мы ограничимся относительно небольшими областями пространства и короткими интервалами времени. Мы можем проводить любые эксперименты, какие только нам заблагорассудится: измерять скорости химических реакций, ронять мячи и смотреть, как они будут падать, наблюдать за поведением весов на пружинах — и при этом получать на околоземной орбите в точности такие же результаты, как если бы мы улетели далеко в межзвездное пространство. Разумеется, если подождать достаточно долго, мы могли бы догадаться, что движемся по орбите. Предположим, мы позволили вилке и ложке свободно парить по кабине, причем из двух предметов чуть ближе к Земле оказалась вилка. Следовательно, гравитационное притяжение на вилку действует чуть сильнее, чем на ложку. Таким образом, вилка будет постепенно отдаляться от ложки, но для того, чтобы заметить это, необходимо, чтобы прошло достаточно много времени. Если же ограничиться достаточно маленькими областями пространства и времени, то какие бы эксперименты мы ни проводили, ни один не укажет на действие силы тяжести, не дающей кораблю покинуть околоземную орбиту.
Поделиться книгой: